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两女科学家的基因剪刀获2020诺贝尔化学奖

七彩美国 陌上美国 2020-10-28
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秋风吹来诺贝尔奖的消息。今天,两名科学家因发现一种类似于“分子剪刀”的基因编辑方法而获得了诺贝尔化学奖。

2020诺贝尔化学奖尘埃落定，花落两美女教授：加利福尼亚大学伯克利分校李嘉诚生物医学与健康科学学院院长、生物化学教授詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)与柏林马克斯·普朗克感染生物学研究所所长艾曼乐·夏庞蒂埃(Emmanuelle Charpentie)。

Charpentier和Doudna在2015年的一次儿童展览会上

今天的的诺贝尔化学奖有三大看点：

1、历史上首次颁奖给一对女科学家：法国微生物学家夏彭蒂娅和美国生物化学家杜德纳，她俩依次是第六和第七位获得诺贝尔化学奖的女性；

2、少见的基础研究成果面世不到十年即摘得诺奖桂冠；

3、应用这项研究成果惹上不少官司。

加州大学伯克利分校毕业生离校后获得诺贝尔奖并不罕见，但杜德娜是加州大学伯克利分校的获得这一令人垂涎的奖项的首位在职女教授。也是该校第25位诺贝尔奖获得者；昨天该校莱因哈德·根泽(Reinhard Genze)教授获得诺贝尔物理学奖。 

出生于华盛顿特区的杜德娜，在夏威夷希洛(Hilo)长大，在高中时对化学产生了兴趣。她于1985年毕业于加利福尼亚州克莱蒙特的波莫纳学院，获得生物化学学位，1989年获得哈佛医学院生物化学和分子药理学博士学位。在耶鲁大学任教多年之后，于2002年入盟加州大学伯克利分校。她丈夫杰米·凯特(Jamie Cate)也是加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授，育有一子安德鲁(Andrew)。

今天凌晨2:53，睡意朦胧的杜德娜(Doudna)被一名记者的电话从梦中惊醒，得知自己赢得了诺贝尔奖。“许多女性认为，无论做什么，她们的工作都不会像男人一样得到认可。”杜德娜说。“但是我认为今天的诺贝尔奖反驳了这一说法。它强有力地表明，女人不但可以做科学家，更可以研究化学，伟大的科学研究会得到认可和尊重。”

而1968年底出生于法国，在巴黎长大，现居德国的夏彭蒂娅，1991年在巴黎的Pierre and Marie Curie University（皮埃尔和居里大学，今天的Sorbonne大学理学院）获生物化学学士学位。1995年在巴斯德研究所(Institut Pasteur)获得微生物博士学位，圆了12岁就开始的梦。她在25年的职业生涯中，曾在五个国家的九个科研机构学习或工作，是个地道的走南创北的科学女飞人。

对这次“前无古人的女科学家包揽获奖”，夏彭蒂尔希望后有来者：“我希望今天的诺贝尔奖将为愿意走科学道路的年轻女孩们提供积极的信息。”

在CRISPR-Cas9基因编辑工具出现之间，更改生命代码是一个耗时且相当困难的过程。CRISPR-Cas9基因编辑工具在RNA分子的引导下结合DNA中的特定区域，然后Cas9蛋白就像一对分子剪刀一样切割DNA，精准地对其进行修改。 

正如诺贝尔委员会主席克拉斯·古斯塔夫森所言：“这种遗传工具拥有巨大的力量，这影响到我们所有人。它不仅彻底改变了基础科学，而且还催生创新的农作物，并将带来开创性的新疗法。”

基因剪刀来源于跨越大西洋两岸的美法两国科学家的无间合作。

还在维也纳任教时，夏庞蒂埃开始对涉及小RNA分子的细菌的调控机制产生兴趣并始研究CRISPR-Cas9。一种叫tracrRNA的RNA，引起了她实验室的注意。该RNA位于称为CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)的DNA奇序列附近。当病毒攻击细菌时，入侵者的遗传身份的“快照”会存储在CRISPR序列中，然后在病毒再次攻击时用来击退病毒。CRISPR-Cas系统已在细菌中广泛进化。但是，没人知道确切的所谓II型系统(CRISPR-Cas9)的过程。 

2011年，夏彭蒂埃在《自然》杂志上发表了一篇论文，该论文确定了反式CRISPR RNA(tracrRNA)在CRISPR介导的病毒防御过程中发挥的关键作用。同年，在波多黎哥的一次国际会议上，夏庞蒂埃偶遇正在从结构的角度研究CRISPR系统的工作原理的加州大学伯克利分校的美国结构生物学家珍妮弗·杜纳德。相谈甚欢，决定合作。“我希望拥有Cas9复合体的结构，以研究将系统缩减至最小并确定复合结构中所有活动域的位置的可能性。夏彭蒂埃说，“我俩的研究天然互补，这使得远距合作非常愉快。” 

次年，2012年8月，夏彭蒂埃和杜纳德在《科学》杂志上发表了那篇改变分子遗传学领域的论文。文中指出，当细菌第二次被病毒入侵时，存储在CRISPR序列中的病毒遗传信息的副本（表示为Dual tracrRNA：crRNA）会募集一种名为Cas9的酶，然后寻找并破坏病毒DNA ，基本上是将其切碎。这一发现为基因组编辑开辟了一种全新且令人兴奋的方法，因为它提供了一种类似于外科手术的技术，可以在目标位置去除或添加DNA。

2012年，这两位女科学家在研究链球菌细菌对病毒的免疫系统时发现的这个分子工具，可用来精确增加和删减 DNA序列。她们在试管中成功地制造了细菌的遗传剪刀，并简化了它们的分子成分到只含一个蛋白蛋和2个RNA模块，使之易于使用。这种CRISPR-Cas9基因剪刀，前所未有的精确修改活细胞中的生命密码，是生物医学上的重大突破。让科学家能够以空前的效率和精度，改写包括人类细胞在内的任何生物体中的DNA，为生物学，农业和医学领域带来了新的广泛可能性，包括治疗数千种难治性疾病。

自从CRISPR-Cas9基因剪刀问世以来该技术已在世界各地的许多实验室中使用，为基础研究中的许多重要发现做出了贡献，比如植物研究人员已经能够开发出能够抵抗霉菌，害虫和干旱的农作物，使害虫绝育；CRISPR-Cas9基因剪刀用来帮助去除引起人类细胞疾病的突变基因，从而治愈各种先天性遗传疾病。

虽然CRISPR-Cas9基因剪刀潜力巨大，但它也引发了许多道德法律和社会政治问题。用这项陷入与MIT张锋专利纠纷之中的技术，2018年被中国科学家贺建奎应用来制造世界上第一个基因编辑的婴儿：双胞胎女婴露露和娜娜。这种违反科学伦理的行为引起社会上的热烈讨论。许多同行谴责贺建奎，其实验被标记为“惊人”，“不道德”，是对中国生物医学研究声誉的“巨大打击”。科学界的许多人提出了道德上的顾虑，包括他从婴儿父母那里获得何种首肯，以及基因编辑的透明度和后果。去年底贺建奎因为轻率地使用CRISPR-Cas9工具被深圳南山区人民法院判处有期徒刑三年，并处罚金人民币300万元人民币（合43万美元）。

尽管如此，我们仍有理由相信，合理地利用CRISPR-Cas9，对人类利大于弊。这也是把硝化甘油和矽藻土混合在一起，制造出炸药的诺贝尔设立诺贝尔奖，希望世界和平的初衷。





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